CN104654618A - 三腔流体聚焦太阳能光热加热传热蓄热*** - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种适合于聚焦太阳能热利用的三腔流体聚焦太阳能光热加热传热蓄热***，可以实现高温、大规模、低成本、高效率的蓄热，并适合于10-1500度的温度的蓄热。本发明由太阳能聚焦采集***采集的热能通过流体与蓄热器进行换热后将热能传递给蓄热器。蓄热器为至少设置有三个腔室，充热腔室、放热腔室以及蓄热腔室，充热腔室直接与太阳能采集***进行换热，蓄热腔室进行热能储存，放热腔室实现热能的交换和利用。当需要利用蓄热器中的热能时，将温度低于蓄热材料的温度的流体从放热腔室的进口流入蓄热器，流体与蓄热材料进行换热后再经放热腔室出口流出，实现热能的利用。

Description

三腔流体聚焦太阳能光热加热传热蓄热***

技术领域

本发明涉及热能利用，特别是利用聚焦太阳能采集***实现热能采集传递蓄热交换利用***。

背景技术

蓄热器是对热能进行储存的设备，现有的蓄热器为蒸汽型和液体蓄热器；

在工业节能领域，将余热进行回收并储存，通常采用相变技术进行蓄热，在低温领域采用蓄冰技术实现蓄热；

在太阳能领域，采用熔融盐蓄热，虽然熔融盐可以实现高温的储存，但是由于其需要从固态转变为液体，因而需要热能将其加热，同时熔融盐的毒性、经济型、安全性也存在问题，因而熔融盐蓄热的使用受到限制。

在太阳能领域，也采用空气或其他气体进行蓄热，但其热熔小，无法实现大规模的热能存储。

蓄能电站采用电能进行储存，特别是风电及光伏组成的电能，由于其无法实现储存，因而不得不大量的抛弃，造成大量的浪费。如果采用热能进行储存，需要具备大功率的存储能力的储存器。

热管在蓄热器内已经有使用，但是现有热管技术寿命仅有3-7年，难以保证在太阳能以及蓄热供暖领域30年的寿命，因而无法将现有热管技术应用于蓄热器。

但是，由于太阳能电站以及大型供暖领域需要大型的蓄热及热交换器，仅利用金属管之外，无法实现地温差，大规模的蓄热及热交换，因而需要一种改进的热管技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种适合于聚焦太阳能热利用的三腔流体聚焦太阳能光热加热传热蓄热***，本发明设置有三个腔室，蓄热器为至少设置有三个腔室，充热腔室、放热腔室以及蓄热腔室，充热腔室直接与太阳能采集***进行换热，蓄热腔室进行热能储存，放热腔室实现热能的交换和利用。

本发明的三腔流体聚焦太阳能光热加热传热蓄热***，可以实现高温、大规模、低成本、高效率的蓄热，并适合于10-1500度的温度的蓄热。

具体发明内容如下：

三腔流体聚焦太阳能光热加热传热蓄热***，包括蓄热材料，壳体，太阳能聚焦采集***，保温材料，流体等，其特征是：由太阳能聚焦采集器件、光热转换器、传热管、流体、循环动力装置、蓄热器、跟踪控制器件组成一组太阳能聚焦采集***；光热转换器与采集器件进行连接，并被固定采集器件上，采集器件的太阳能聚焦在光热转换器上，传热管与光热转换器进行连接，流体由传热管传送到光热转换器的焦点部位后流体被加热，加热后的流体沿传热管进入到设置在地面的蓄热器的吸热部位，经与蓄热器进行换热将热能传递给蓄热器，流体在循环动力装置驱动下沿传热管进行循环，将热能由光热转换器传递给蓄热器。

蓄热器为至少设置有三个腔室，充热腔室、放热腔室以及蓄热腔室，充热腔室设置有至少一组进口与出口，与太阳能采集***进行换热的流体为第一流体，第一流体从充热腔室进口进入与蓄热器完成换热后从出口流出，在沿传热管进入到光热转换器中被加热，从而将太阳能聚焦采集***采集的热能输送到蓄热器内。

在蓄热腔室内设置有蓄热材料，将热能进行储存。

蓄热器可以在当地蓄热或被移动到需要利用热能的地区。

当需要利用蓄热器中的热能时，将温度低于蓄热材料的温度的第二流体从放热腔室的进口流入蓄热器，第二流体与蓄热材料进行换热后再经放热腔室出口流出，实现热能的利用。

当蓄热器的热能被利用后，将移动到其他区域的蓄热器移动到太阳能采集***中进行采集区，或将在采集区域内的蓄热器的第一流体再次利用太阳能器件式采集***加热第一流体，为蓄热器内的蓄热材料进行加热，实现太阳能采集加热传热蓄热。

多组太阳能采集***共同与一个中央蓄热器进行连接，将多个采集***采集的热能进行集成应用，实现大规模大功率的应用。

所述的中央蓄热器由一个设置有多个充热腔室、多个放热腔室，一个或多个蓄热腔室的容器组成；每个充热腔室设置有至少一组进口与出口，多组太阳能采集***的第一流体从多个充热腔室进口进入与蓄热器完成换热后从出口流出，再沿传热管进入到每组太阳能采集***的光热转换器中被加热，从而将多组太阳能采集***的热能输送到蓄热器内。

中央蓄热器在本地或者被移动到设定的区域后进行放热，第二流体分别或者同时进入到中央蓄热器的放热腔室，与蓄热腔室内的蓄热材料完成换热后第二流体进入到太阳能应用***，实现热能的应用。

应用***包括发电机组、电动机组、供暖或制冷机组、化学电池的一种或多种。

蓄热材料选择自下列至少一种或多种：熔融盐、液态金属、固体粒块、混凝土、沙石或鹅卵石、钢渣或铁渣、导热水泥、相变材料。

充热腔室内的第一流体以及放热腔室的第二流体与蓄热腔室内的蓄热材料，通过下列方式之一进行换热：

A、流体管道换热：在每一个放热或充热腔室内部的进口与的出口之间还设置有多个管道，为流体换热管道，管道由金属或者非金属或者复合管道组成，管道的进口与出口与充热腔室内部的进口与的出口相互连通，使得流体可以在管道内流动；

B、热管换热：采用重力热管或循环热管，在充热腔室重力热管的蒸发段设置在充热腔室，冷凝段设置在蓄热腔室；在放热腔室重力热管的蒸发段设置在蓄热腔室，冷凝段设置在放热腔室；对于循环热管热管的部分壳体设置在充热腔室或放热腔室，其余部分设置在蓄热腔室。

所述的流体管道选自下列一种或组合：

A、螺旋管；

B、管道的内部或者和外壁设置有换热翅片；

C、弯曲的管道；

D、其直径可以变化的管道；

E、管道的外壁上设置有可以与固体粒块相互连接的凹凸结构；

F、由不同的金属复合而成的管道；

G、管道的内或者外壁上设置有防腐涂层。

太阳能采集器件采用碟式、槽式、塔式中的一种或多种。

流体为下列一种或多种：熔融盐、液体（含水或导热油）、气体（含空气）、液态金属、等离子态、超临界体。

所述的液态金属为下列一种或者多种或其化合物：汞,铯,镓,铷,钾,钠,铟,锂,锡,铋,铊,镉,铅,锌,锑,镁,铝。

 

采用本发明的技术方案可产生如下的有益效果：

1、                           本发明实现太阳能聚焦热利用的大规模、高效率的蓄热换热，实现10-1500度的热能储存，安全可靠；

2、                           本发明采用可再生热管技术，使得热管的寿命可以延长到30年甚至更高，仅需要更换热管的工作介质即可。

3、                           本发明可以实现移动蓄热，将蓄热器移动到需要的地方实现热能的采集及利用。

4、                           本发明可以应用于太阳能以及与其互补的地热、光伏、风电、生物质等多种应用。

附图说明

图1是热管三腔流体聚焦太阳能光热加热传热蓄热***示意图。

图2是三腔流体聚焦太阳能光热加热传热蓄热***示意图。

图3是移动三腔流体聚焦太阳能光热加热传热蓄热***示意图。

 

图中标号含义：

1：蓄热材料进口，2：蓄热材料出口，3：放热腔室进口，4：放热腔室出口，5：热管再生管 6：蓄热材料腔体，7：放热腔室，8：腔室隔板，9：太阳能聚焦采集***，10：蓄热材料，11：充热腔室，12：充热腔室进口，13热源,14；运输车辆，15：加热热管，16：充热腔室出口，17：放热热管，18：流体管道换热管。

具体实施方式

实施例1、热管三腔流体聚焦太阳能光热加热传热蓄热***

图1所示一个含有三个腔体的容器，其中一个充热腔室11，设置有流体进出口12、16；放热腔室7，设置有流体进出口3、4；蓄热材料腔体6；设置有进出口1、2。

含有两种热管，第一种为加热热管15，第二种为放热热管17，加热热管15的蒸发端设置在充热腔室11，冷凝端设置在蓄热材料腔体6，并与蓄热材料10进行紧密连接，并与蓄热材料10的换热，放热热管17的蒸发端设置在蓄热材料腔体6内，并与蓄热材料10进行紧密连接，并与蓄热材料10的换热，冷凝端设置在放热腔室7内。

在蓄热材料腔体6内设置有蓄热材料10，蓄热材料10与放热热管或者加热热管进行连接换热，蓄热材料10填充入整个蓄热材料腔体6内。

在充热腔室11以及热管冷凝腔体7上设置以及蓄热腔室6有流体的进出口，在蓄热材料腔体6上设置有进出口，可以将蓄热材料10从腔体内放置或者取出。

在容器的外部有保温材料，保温材料的外部设置有箱体。

加热过程中，将温度高于蓄热材料10的加热流体从热管蒸发腔体的进口12进入容器，经与加热热管换热后从热管蒸发腔体的出口16流出，热能由热管传热到蓄热材料腔体6内并与蓄热材料10进行换热，蓄热材料10的热能被交换到流体中进行蓄热。

蓄热器可以用于在当地蓄热或被移动到需要的地区。

当需要利用蓄热器中的热能时，将温度低于蓄热材料10的放热流体从放热腔室7的进口3流入，放热流体与放热热管进行换热后吸收热能经出口4流出，放热热管吸收蓄热材料10的热能与放热流体进行换热，实现热能的利用。

在热管的蒸发端的液面一下位置上，设置一个与每一个热管相互联通的再生管5，再生管与每一个热管进行连接，当热管工作介质不能满足设定的换热效率时，打开热管再生腔室，从设置的热管再生连接管将热管内的工作介质排出，后将新的工作介质灌装到热管内部，并保持真空度进行密闭，从而实现热管的再生，保证热管的寿命可以达到30年。

本实施例中，蓄热材料10采用硝酸钾70%和硝酸钠30%组成的熔融盐，加热温度为500度，加热流体采用气态空气，由太阳能碟式***采集加热空气到900度的高温空气，放热流体采用水，热管采用高温重力热管，其工作介质采用钾60%与钠40%的混合物。

 

实施例2、三腔流体聚焦太阳能光热加热传热蓄热***

图2所示由三个腔体的容器，含有三个腔体的容器，其中一个充热腔室11，设置有流体进出口12、16；放热腔室7，设置有流体进出口3、4；蓄热材料腔体6；设置有进出口1、2。

充热腔室与蓄热腔室换热采用流体换热管道进行换热，换热管道的一端设置在充热腔室并与充热腔室进口进行连通，另外一部分管道设置在蓄热腔室内，并与蓄热材料10进行紧密连接，并与蓄热材料10的换热，管道的出口部位与充热腔室的出口进行联通，这样流体可以与蓄热材料进行换热。

放热热管17的蒸发端设置在蓄热材料腔体6内，并与蓄热材料10进行紧密连接，并与蓄热材料10的换热，冷凝端设置在放热腔室7内。

在蓄热材料腔体6内设置有蓄热材料10，蓄热材料10与放热热管或者加热热管进行连接换热，蓄热材料10填充入整个蓄热材料腔体6内。

在放热腔室以及充热腔室及蓄热腔室6设置有流体的进出口，在蓄热材料腔体6上设置有进出口，可以将蓄热材料10从流体腔体内放置或者取出。

在容器的外部有保温材料，保温材料的外部设置有箱体。

由太阳能聚焦采集器件、光热转换器、传热管、流体、循环动力装置、蓄热器、跟踪控制器件组成一组太阳能聚焦采集***；光热转换器与采集器件进行连接，并被固定采集器件上，采集器件的太阳能聚焦在光热转换器上，传热管与光热转换器进行连接，流体由传热管传送到光热转换器的焦点部位后流体被加热，加热后的流体沿传热管进入到设置在地面的蓄热器的吸热部位，经与蓄热器进行换热将热能传递给蓄热器，流体在循环动力装置驱动下沿传热管进行循环，将热能由光热转换器传递给蓄热器。

加热过程中，热源13采用聚焦太阳能塔式采集***器，加热器件9为太阳能光热转换器，蓄热材料10采用硝酸钾70%和硝酸钠30%组成的熔融盐，将温度高于蓄热材料10的加热流体从充热腔室的进口12进入容器，经与加热热管换热后从充热腔室出口16流出，热能由热管传热到蓄热材料腔体6内并与蓄热材料10进行换热，蓄热材料10的热能被交换到流体中进行蓄热。

蓄热器可以用于在当地蓄热或被移动到需要的地区。

当需要利用蓄热器中的热能时，将温度低于蓄热材料10的放热流体从放热7的进口3流入，放热流体与放热热管进行换热后吸收热能经出口4流出，放热热管吸收蓄热材料10的热能与放热流体进行换热，实现热能的利用。

在热管的蒸发端的液面一下位置上，设置一个与每一个热管相互联通的再生管5，再生管与每一个热管进行连接，当热管工作介质不能满足设定的换热效率时，打开热管再生腔室，从设置的热管再生连接管将热管内的工作介质排出，后将新的工作介质灌装到热管内部，并保持真空度进行密闭，从而实现热管的再生，保证热管的寿命可以达到30年。

本实施例中，热源13为太阳能塔式***，加热流体为空气，蓄热温度为500度，放热流体采用水，热管采用高温重力热管，其工作介质采用钾60%与钠40%的混合物。

 

实施例3、移动三腔流体聚焦太阳能光热加热传热蓄热***

图3所示的由三个腔体的容器，三个腔体的容器，含有三个腔体的容器，其中一个充热腔室11，设置有流体进出口12、16；放热腔室7，设置有流体进出口3、4；蓄热材料腔体6；设置有进出口1、2，蓄热器设置在运输车辆上。

充热腔室与蓄热腔室换热采用热管换热，蓄热腔室与放热腔室采用流体换热管18进行换热，换热管道的一端设置在放热腔室并与放腔室进口进行连通，另外一部分管道设置在蓄热腔室内，并与蓄热材料10进行紧密连接，并与蓄热材料10的换热，管道的出口部位与放热腔室的出口进行联通，这样流体可以与蓄热材料进行换热。

放热热管17的蒸发端设置在蓄热材料腔体6内，并与蓄热材料10进行紧密连接，并与蓄热材料10的换热，冷凝端设置在放热腔室7内。

在蓄热材料腔体6内设置有蓄热材料10，蓄热材料10与放热热管或者加热热管进行连接换热，蓄热材料10填充入整个蓄热材料腔体6内。

在放热腔室以及充热腔室及蓄热腔室6设置有流体的进出口，在蓄热材料腔体6上设置有进出口，可以将蓄热材料10从流体腔体内放置或者取出。

在容器的外部有保温材料，保温材料的外部设置有箱体。

由太阳能聚焦采集器件、光热转换器、传热管、流体、循环动力装置、蓄热器、跟踪控制器件组成一组太阳能聚焦采集***；光热转换器与采集器件进行连接，并被固定采集器件上，采集器件的太阳能聚焦在光热转换器上，传热管与光热转换器进行连接，流体由传热管传送到光热转换器的焦点部位后流体被加热，加热后的流体沿传热管进入到设置在地面的蓄热器的吸热部位，经与蓄热器进行换热将热能传递给蓄热器，流体在循环动力装置驱动下沿传热管进行循环，将热能由光热转换器传递给蓄热器。

加热过程中，热源13采用聚焦太阳能碟式采集***器，加热器件9为太阳能光热转换器，蓄热材料10采用混凝土30%和玄武岩石块20%和钢渣50%组成的蓄热材料，将温度高于蓄热材料10的加热流体从充热腔室的进口12进入容器，经与加热热管换热后从充热腔室出口16流出，热能由热管传热到蓄热材料腔体6内并与蓄热材料10进行换热，蓄热材料10的热能被交换到流体中进行蓄热。

蓄热器可以用于在当地蓄热或被移动到需要的地区。

当需要利用蓄热器中的热能时，将温度低于蓄热材料10的放热流体从放热7的进口3流入，放热流体与放热热管进行换热后吸收热能经出口4流出，放热热管吸收蓄热材料10的热能与放热流体进行换热，实现热能的利用。

在热管的蒸发端的液面一下位置上，设置一个与每一个热管相互联通的再生管5，再生管与每一个热管进行连接，当热管工作介质不能满足设定的换热效率时，打开热管再生腔室，从设置的热管再生连接管将热管内的工作介质排出，后将新的工作介质灌装到热管内部，并保持真空度进行密闭，从而实现热管的再生，保证热管的寿命可以达到30年。

本实施例中，热源13为太阳能碟式***，加热流体液态金属，蓄热温度为1200度，放热流体采用水，热管采用循环热管，工作温度处于100-800度，在循环热管的底部地位上，设置一个与每一个热管壳体相互联通的再生管5，再生管与每一个热管壳体端进行连接，在热管的工作效率低于第一设定值后，利用再生管将新的工作热管工作介质充入到热管内，实现热管的再生。

 

    根据本发明的原理及结构，可以设计其他的实施案例，只要符合本发明的原理及结构，都属于本发明的实施。

Claims (10)

1.三腔流体聚焦太阳能光热加热传热蓄热***，包括蓄热材料，壳体，太阳能聚焦采集***，保温材料，流体等，其特征是：由太阳能聚焦采集器件、光热转换器、传热管、流体、循环动力装置、蓄热器、跟踪控制器件组成一组太阳能聚焦采集***；光热转换器与采集器件进行连接，并被固定采集器件上，采集器件的太阳能聚焦在光热转换器上，传热管与光热转换器进行连接，流体由传热管传送到光热转换器的焦点部位后流体被加热，加热后的流体沿传热管进入到设置在地面的蓄热器的吸热部位，经与蓄热器进行换热将热能传递给蓄热器，流体在循环动力装置驱动下沿传热管进行循环，将热能由光热转换器传递给蓄热器；

  蓄热器为至少设置有三个腔室，充热腔室、放热腔室以及蓄热腔室，充热腔室设置有至少一组进口与出口，与太阳能采集***进行换热的流体为第一流体，第一流体从充热腔室进口进入与蓄热器完成换热后从出口流出，在沿传热管进入到光热转换器中被加热，从而将太阳能聚焦采集***采集的热能输送到蓄热器内；

在蓄热腔室内设置有蓄热材料，将热能进行储存；

蓄热器可以在当地蓄热或被移动到需要利用热能的地区；

当需要利用蓄热器中的热能时，将温度低于蓄热材料的温度的第二流体从放热腔室的进口流入蓄热器，第二流体与蓄热材料进行换热后再经放热腔室出口流出，实现热能的利用；   

当蓄热器的热能被利用后，将移动到其他区域的蓄热器移动到太阳能采集***中进行采集区，或将在采集区域内的蓄热器的第一流体再次利用太阳能器件式采集***加热第一流体，为蓄热器内的蓄热材料进行加热，实现太阳能采集加热传热蓄热。

2.根据权利要求1所述的三腔流体聚焦太阳能光热加热传热蓄热***，其特征是：多组太阳能采集***共同与一个中央蓄热器进行连接，将多个采集***采集的热能进行集成应用，实现大规模大功率的应用。

3.根据权利要求2所述的三腔流体聚焦太阳能光热加热传热蓄热***，其特征是：所述的中央蓄热器由一个设置有多个充热腔室、多个放热腔室，一个或多个蓄热腔室的容器组成；每个充热腔室设置有至少一组进口与出口，多组太阳能采集***的第一流体从多个充热腔室进口进入与蓄热器完成换热后从出口流出，再沿传热管进入到每组太阳能采集***的光热转换器中被加热，从而将多组太阳能采集***的热能输送到蓄热器内。

4.根据权利要求3所述的三腔流体聚焦太阳能光热加热传热蓄热***，其特征是：中央蓄热器在本地或者被移动到设定的区域后进行放热，第二流体分别或者同时进入到中央蓄热器的放热腔室，与蓄热腔室内的蓄热材料完成换热后第二流体进入到太阳能应用***，实现热能的应用；

应用***包括发电机组、电动机组、供暖或制冷机组、化学电池的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的三腔流体聚焦太阳能光热加热传热蓄热***，其特征是：蓄热材料选择自下列至少一种或多种：熔融盐、液态金属、固体粒块、混凝土、沙石或鹅卵石、钢渣或铁渣、导热水泥、相变材料。

6.根据权利要求1所述的三腔流体聚焦太阳能光热加热传热蓄热***，其特征是：充热腔室内的第一流体以及放热腔室的第二流体与蓄热腔室内的蓄热材料，通过下列方式之一进行换热：

A、流体管道换热：在每一个放热或充热腔室内部的进口与的出口之间还设置有多个管道，为流体换热管道，管道由金属或者非金属或者复合管道组成，管道的进口与出口与充热腔室内部的进口与的出口相互连通，使得流体可以在管道内流动；

B、热管换热：采用重力热管或循环热管，在充热腔室重力热管的蒸发段设置在充热腔室，冷凝段设置在蓄热腔室；在放热腔室重力热管的蒸发段设置在蓄热腔室，冷凝段设置在放热腔室；对于循环热管热管的部分壳体设置在充热腔室或放热腔室，其余部分设置在蓄热腔室。

7.根据权利要求6所述的三腔流体聚焦太阳能光热加热传热蓄热***，其特征是：所述的流体管道选自下列一种或组合：

A、螺旋管；

B、管道的内部或者和外壁设置有换热翅片；

C、弯曲的管道；

D、其直径可以变化的管道；

E、管道的外壁上设置有可以与固体粒块相互连接的凹凸结构；

F、由不同的金属复合而成的管道；

G、管道的内或者外壁上设置有防腐涂层。

8.根据权利要求1所述的三腔流体聚焦太阳能光热加热传热蓄热***，其特征是：太阳能采集器件采用碟式、槽式、塔式中的一种或多种。

9.根据权利要求1所述的三腔流体聚焦太阳能光热加热传热蓄热***，其特征是：流体为下列一种或多种：熔融盐、液体、气体、液态金属、等离子态、超临界体。

10.根据权利要求9所述的三腔流体聚焦太阳能光热加热传热蓄热***，其特征是：所述的液态金属为下列一种或者多种或其化合物：汞,铯,镓,铷,钾,钠,铟,锂,锡,铋,铊,镉,铅,锌,锑,镁,铝。